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三维虚拟地球的海洋信息适用性分析及原型研究
2015年11月28日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:肖如林,苏奋振,杜云艳,何亚文,刘伟
    单位:中国科学院地理科学与资源研究所
        中国科学院烟台海岸带可持续发展研究所
        中国矿业大学 环境与测绘学院

    摘要: 分析了三维虚拟地球在海洋应用上具有的优势及可能面临的挑战的基础上, 首次提出了一种结合网格、语义网等前沿技术和理念, 利用三维虚拟地球实现三维虚拟海洋的技术方案; 并按照 SOA 的多层次架构, 采用 XML 的多源异构海洋环境数据快速交换、海洋环境信息服务快速封装与发布、海洋环境信息服务虚拟组织、远程可视化等关键技术, 实现了海洋环境信息网格平台及网格前端门户系统  三维虚拟海洋 (VRM arine)。VRM arine不仅能够集成网格环境下多源海洋环境信息服务, 再现逼真的三维海洋环境场景, 同时, 还支持对功能服务的动态集成, 实现多维时空特征分析。研究表明, 该方案是切实可行和有效的, 对三维虚拟海洋具有一定的现实及指导意义。

    1 引言

    万维网与地理空间信息技术的发展融合, 催生了全新的地理空间信息网 (Geospatial Web), 以Google Earth、World Wind、ArcGIS Explorer, Skyline等为代表的网络三维虚拟地球 (或称三维地球浏览器)的出现, 打破了传统 WebGIS的数据发布模式和地理空间信息技术的思维方式, 为地理空间信息的快速发布与访问提供了新的思路和技术手段。随着 Geospatial Web 的发展, 地理学已经渐成为管理、分析、展示世界信息的轴心科学[1], 三维虚拟地球也日益强大, 应用越来越广, 目前已在科研、军事、商业、灾害应急、海洋等行业领域有着广泛应用。


图1 平台体系结构

    国外 Benjam in T.Tuttle[1] 等回顾了虚拟地球的发展历史, 论述了其得以广泛应用的主要特性,并着重论述了在教育、科学研究与协作, 以及应急救灾上的应用, 并指出了应注意的问题, 却没有提出对应解决方案, 更没有考虑在海洋这个与陆地迥异的环境下, 可能存在特殊问题及其对策。国内,苗放[2]等在简要分析了 GooGle E arth的特点的基础上, 探讨了对数字中国所带来的影响与启迪, 并以此提出了以地学信息浏览器/空间信息服务器 (G/S)结构为主的 数字中国 !的技术体系架构, 这对数字海洋的发展建设有一定的借鉴意义; 贾文珏[3]则从技术的角度对 Google E arth和WorldWind进行了分析得出两者具有相同或相似的技术特点, 并从背景、费用, 数据源等方面对比分析了存在的差别及各自的适用面。此外, 唐先明等[4]基于 Skyline开发出三维可视化的油气勘探管理信息系统, 实现了虚拟现实环境下交互式地表地下油气勘探信息的管理。


图2 三维虚拟海洋 (VRM arine)界面

    在海洋领域, 国内外也有一些研究。作为中国第一个具有自主知识产权的海洋地理信息系统软件 MaXplorer(Marine GIS eXplorer), 针对海洋数据的特性, 着眼于立体思维, 实现了对海洋数据的三维分析与动态三维可视化[5]。Declan Dunne等[6],按照 OGC数据传输标准, 将多波束声纳数据集成到 WorldWind, 实现了网络三维制图, 展现了 WorldWind的潜力; B loWer.J.D 等[7 - 8] 利用 GooGle Earth集成多源海洋数据, 为决策支持服务, 并阐述了其中存在处理时间相关数据, 以及数据的安全访问等问题; 金永福等[9 ]利用 GooGle Earth 提供的高分辨率卫星影像, 通过对视图方位、经纬度和高度进行匹配, 放入点位标记、影像贴图及多边型三维数据,实现了对海域使用现状形象描绘, 提升海洋管理和海洋资源开发的整体水平。


图3 动态加载ARGO服务及实时操作分析

    综上可见, 国内外, 三维虚拟地球在海洋领域虽有一些应用, 但还处于初级层次, 真正的网络三维虚拟操作海洋平台研究基本处于空白, 而且也未见对三维虚拟地球在海洋信息领域的适用的系统性、综合性分析和研究探索。为此, 三维虚拟地球的海洋信息适用性分析及原型实现研究, 对三维虚拟地球的发展及 数字海洋 !的建设都具有很大的现实意义与指导意义。

    2 三维虚拟地球的海洋信息适用性分析

    2.1 历史原因

    第一个地球仪源于航海家对海洋的追逐, 但是如今有电子地球仪之称的 三维虚拟地球 !在海洋领域的应用却显得冷清而落后。追述其历史原因主要有: 

    (1) 历史需求不迫切: 人类生活在陆地上,大部分活动依赖于陆地, 生活中的信息绝大部分也是和陆地相关, 海洋数据几乎无人问津, 尤其是在工业文明前的早期。人们对海洋的依赖和需求不迫切是最根本的原因。

    (2) 数据获取困难, 数据少:相比陆地, 海洋数据的获取方式较少, 获取困难, 代价高, 只是近年来遥感技术的发展才使得这种局面有所改观。 

    (3) 科学家的遗忘: 如数字地球[10]研究工作组等科研机构和组织, 早期都致力于数据的互操作和共享上的研究, 忽略了 数字地球!系统上的研究[11- 12]。 

    (4) 企业的忽视: 对于 Google、ESRI等企业来说, 海洋领域上少有能给其带来利润的机会, 因而也得不到重视和发展。

    随着人口、资源与环境问题的日益迫切, 人类对海洋的关注度也越来越高。GooGle正致力于开发一个适用于海洋的 GooGle Ocean, 这只是三维虚拟地球在海洋信息领域需求的外在表现。目前, 海洋环境数据获取手段的增多, 海洋遥感数据精度和分辨率的提高, 海洋数值模拟模型和各种定量分析方法的发展, 在海洋领域的相关部门中积累了大量的海洋环境数据和信息。如何直观展现海洋环境,实现海洋环境信息的全面共享集成, 是数字海洋发展的迫切需要与核心内容[13]。

    2.2 在海洋领域的优势

    其实, 三维虚拟地球平台在海洋信息领域具有很好的优势和发展潜力, 主要体现在以下几个方面:

    (1) 海洋不同于陆地的多样性, 海洋要素相对陆地要少得多, 降低了复杂性, 有利于三维虚拟地球的应用。 

    (2) 海洋现象具有多尺度, 尤其体现在大尺度, 全球范围层面上, 适合用能够多尺度无级缩放的三维球体来表示。 

    (3) 海洋数据获取方式相对较少, 来源相对单一, 数据存储也相对集中 (主要集中于海洋的相关单位), 这就便于数据的统一组织管理和发布, 更利于三维虚拟地球的应用。

    (4) 海洋动态多变性使得数据更新快, 不适合采用传统的 WebGIS的发布模式, 而三维虚拟地球可以按需加载任意时刻的数据, 实现内容和展示平台的分离, 具有更好的可行性。 

    (5) 海洋具有纵深,三维特性, 需要借助三维虚拟技术才能得以很好的展示。

    2.3 面临的挑战

    但是海洋终究不同于陆地, 海洋的独特性使得三维虚拟地球的应用面临一些特殊的挑战, 主要体现在: 

    (1)真三维性: 海洋具有鲜明的三维性, 它不同于陆地的面三维, 也不同于三维建筑物这种内空的三维, 而是真实的属性随三维空间的渐变的真三维。这种真三维数据的可视化便是一个大问题[14] 。因此, 三维可视化是目前海洋地理信息系统面临的首要挑战, 需要更高级的用户接口以增强用户交互体验[14 ]。现有的三维虚拟地球平台还是假三维, 无法表达海洋的真三维特性, 并且缺乏相应的三维操作功能。因此, 三维虚拟地球平台的发展, 应该着力于三维数据模型、三维空间拓扑等基础方法和理论的同时, 还需研究真三维展示用户接口, 以更好地引导用户进行立体空间思维[15]。 

    (2)时态性: 流体的海洋更具时态性, 然而现有的三维虚拟地球对于时态性的表达多通过渐变动画来展现, 缺乏有效的时空交互工具和时空分析功能, 因此, 时空数据模型和时空分析技术十分必要。 

    (3)动态多变: 海洋动态性导致其信息更新较快, 鉴于现有的三维虚拟地球平台主要优势表现在静态的数据或成果, 对于多变、实时的数据, 不可能每次都采取预先缓存(大多三维虚拟平台都采取了缓存技术)或制作成果的方式发布。因此, 实时信息传输及在线分析技术至关重要。 

    (4)模糊性: 不同于刚体性的陆地, 海洋是个流动对象, 海洋中的事物也不像陆地上那么直观, 除大洋底的特征外, 在海洋环境中几乎没有固定的特征和确切的界限[16], 如何表达海洋及海洋现象的不确定性, 也成为在三维虚拟地球所需要考虑的问题[17]。 

    (5)效率低: 目前, 三维虚拟地球在前端, 具有很好的视觉展示效果, 但是, 在后台的可用数据发现和集成上效率较低, 已成为影响其效率的瓶颈, 其主要原因有: ∀ 支持的数据有限, 有些产品还处于封闭状态, 不支持相关标准规范。 # 数据存储相对集中, 然而现有的三维虚拟地球却没有充分发挥这个优势。 ∃ 基于文本的关键词搜索效率低, 缺少语义支持。海洋数据专题要素相对较少,海洋信息领域蕴含大量知识, 却没有得到充分利用。

    综上所述可知, 自 数字地球 !提出以来, 随着理论和技术的发展, 以 Google Earth 为代表的三维虚拟地球的繁荣为 数字地球 !梦想注入新鲜血液的同时, 也为 数字海洋 !的发展带来了新的理念和思路。三维虚拟地球平台的诸多优良特性, 使其在海洋信息领域具有较大的应用价值和发展潜力, 但是面对海洋的真三维, 时态性, 动态变化等特性, 也面临一些新的挑战, 成为三维虚拟海洋的难题。


图2 三维虚拟海洋 (VRM arine)界面

    3 三维虚拟海洋原型研究

    目前, 三维虚拟地球, 大致分为四种模式: 

    (1)商业服务模式: 这种模式多出自于搜索等服务提供商 (以 Google的 Google Earth和 Microsoft的 Virtual Earth为代表), 以直接或间接营利为出发点, 倾向于将三维虚拟地球定位于信息搜索和信息浏览工具, 为大众提供服务。 

    (2)开放科研模式: 这种模式多出自于科研机构或数据信息中心 (以 NASA 的World Wind为代表), 倾向于将三维虚拟地球定位为于科学数据共享和研究型的工具, 并免费和开放源代码。 

    (3)商业平台模式: 这种模式多出自于平台软件供应商 (以 ESRI的 ArcGIS Explorer和 Skyline Soft的 Skyline为代表), 倾向于将三维虚拟地球平台定位于专业平台。 

    (4)内部自给模式: 许多单位或组织利用开源软件或自主研究开发了很多三维虚拟地球平台 (以 三维 XXX!或 数字 XXX !为代表), 主要面向内部使用, 针对自身的需求, 比较封闭。

    针对三维虚拟地球存在的问题, 结合海洋的实际, 作者采取一种前后台分而治之的策略。首先,前端可以综合利用上述四种模式的优势: 借鉴WorldWind的严谨、开放的框架, 具有对远程服务的即插即用的灵活接口; 基本功能实现上充分发挥ArcGIS Explorer等专业平台式的作用, 最终展示上,采用 Google Earth式的快速、完美的可视化方案, 并利用最先进的用户接口设备, 增强用户的体验。其次, 针对现有三维虚拟地球后台现有的数据组织混乱, 效率低下的问题, 面向海洋信息领域, 利用专家知识建立海洋本体信息库, 以丰富海洋数据的元数据信息和语义信息, 并构建面向海洋领域具有海洋特色的基于语义的信息搜索引。最后, 在数据发布、功能发布的实现, 基于网格实现, 构建一个海洋信息语义网格。其中, 三维虚拟地球为网格前端,后台则是语义网格基础设施, 组成一个虚拟的数字海洋组织, 实现海洋信息的共建互享。

    在此解决思路的指导下, 作者与课题组成员,在天津国家海洋信息中心的资助与合作下, 面向海洋领域应用, 主要针对海流、海温、浮标 (ARGO)三种典型的海洋环境数据, 采用网格的思想,利用面向服务架构 (SOA)和网络服务技术 (Web Service)作为技术框架; 后台利用 ArcGIS Server作为 GIS应用服务平台, 实现对这三类数据的各种服务化封装; 中间通过自主开发的 UDDI服务注册管理中间件, 实现对服务资源的有效组织管理和查询; 前端则基于 A rcGIS EnGine的开发, 实现海洋多维分析及展示平台; 最终形成了一体化的海洋信息网格平台及其前端三维虚拟海洋 (VRM arine)系统。整个平台的实现主要采用了以下四项关键技术:

    (1)基于 XML的多源异构海洋环境数据快速交换技术。在本网格平台中, 针对现有的多源、不同类型的数据封装成输出统一为 XM L格式的数据服务, 功能服务通过调用所需的数据服务, 实时获取 XML格式数据并进行处理分析及可视化。

    (2)海洋环境信息服务快速封装与发布技术。海洋环境数据复杂多样, 为了在本平台中能有效地集成, 在服务的接口设计、封装粒度等方面, 必须按照相关标准进行统一。对于服务的封装, 可以吸取 COM 组件 !的思想, 遵循 把握共性, 分清个性 !的原则[18 ], 针对多源海洋环境数据, 首先, 根据海洋环境数据的专题类型进行分类 (如 ARGO 服务, 海流服务、海面温度服务), 对于同一类型的数据, 再根据功能之间的相关性进行分模块封装, 这样减少了耦合度, 且便于细粒度的重用。不同粗细粒度服务的有序聚合便可以实现复杂的流程和功能。例如,在本海洋多源环境信息网格分析平台中, 针对海流数据, 实现了获取当前服务器的海流数据的周期列表, 获取指定时刻的海流数据及其可视化展示, 指定位置上指定时刻的海流属性信息的查看, 以及指定位置上多个时刻的海流过程渐变可视化等多层次粗细粒度的服务, 通过这些服务的集成、协同, 实现了对海流数据从微观到宏观多尺度、多时相的展示与分析。

    (3)海洋环境信息服务虚拟组织技术。服务的虚拟组织技术对底层服务进行抽象, 通过屏蔽底层细节信息, 为海洋多源环境信息分析平台提供虚拟服务。在本框架中, 服务虚拟组织的核心功能是元数据目录服务。该服务主要包含服务的注册、更新、检索、订阅, 管理等。元数据目录服务的信息基础是元数据目录, 包含三个子集: 

    ① 服务内部元数据信息: 有关服务自身的一些信息, 如底层关联的数据的元数据信息, 服务功能描述信息及接口参数信息等;

    ② 服务之间关系的元数据: 主要描述与其他服务之间的关系, 起到知识库的作用; 

    ③ 格自身元数据信息: 主要描述平台当前的状态, 如节点信息, 用户信息、访问信息等。

    服务内部元数据信息对服务的调用、查找等具有重要作用, 因此, 采用不同的服务按分级分类的目录式组织, 并对其中的常用的检索字段进行索引, 加快检索速度。服务之间的元数据信息在服务集成, 服务的智能聚合中有关键性作用, 服务调用时会根据服务之间的关系,自动地调用相关的服务, 协同工作。例如, 服务注册时在%关联服务&选项中, 明确定义 ARGO 信息查询服务相关的可视化服务的 URL地址, 在操作分析平台中调用 ARGO 的信息查询服务查看 ARGO 某个剖面信息的同时, 系统可根据关联关系自动加载可视化服务, 实现对所查询 ARGO 的定位和显示。网格自身元数据则是网格自身状态的检测及自适应调节的重要依据。

    (4)远程可视化技术。针对海洋环境信息的独特性, 在海洋多源环境分析平台中, 远程可视化同时采取了两种解决方案: 

    ① 服务器端模式: 根据用户请求在服务端完成可视化的生成工作并将可视化结果发送到客户端, 客户端只进行展示。

    ② 客户端模式: 客户端向服务端请求所需数据, 数据在客户端实现可视化生成和展示。
    根据实际的需求, 对交互性和三维特性等要求不高而实时性要求较高的可视化采用服务端模式, 在服务端完成可视化,在客户端展示可视化结果。对于实时性要求也不高的可视化需求, 为了进一步提高响应速度, 实现时可通过对已经生成的可视化结果按一定的命名规则以文件的形式缓存在服务端, 以方便下次同样的请求过来, 不需重新生成, 而是直接返回服务端已存在的可视化结果。通过这两种模式的协同, 使分布式环境下的多源数据 VRM arine系统中具有较好的可视化效果。

    平台由图 1可知, 自下而上分为服务层, 资源管理调度层, 应用层, 以及用户层。通过多层的解耦分离, 在提高系统灵活性及可扩展性的同时, 也屏蔽了底层资源的异质异地性等细节, 为用户透明访问所需服务的能力。该系统能有效地集成动态注册进来的分布式的服务资源, 并执行相应的操作分析功能, 且具有较好的视觉展示效果。如图 2所示, 通过对服务目录中的多源地图服务的集成, 再现出一个逼真的虚拟三维海洋场景; 图 3所示按需查找、并动态集成网络上的 ARGO 地图服务和相应的功能服务, 实现对 ARGO 数据的三维可视化分析和数值分析。此外, 系统还支持对 KM L Server及OGC标准的 WM S、WFS、WCS等的集成, 具有较好的开放性。

    4 结语

    本文综合分析了三维虚拟地球的海洋信息适用性, 并对应用方案进行了探索, 指出三维虚拟海洋的发展应结合海洋特性, 提出一种利用逐渐成熟的网格、语义网、虚拟现实技术, 实现三维虚拟海洋信息操作平台的架构。最后, 在此基础上研发了国内首个基于网格架构的三维虚拟海洋信息操作平台原型系统, 验证了基于网格的网络环境下多源海洋环境信息的集成及三维虚拟海洋技术路线的可行性。但在此架构中, 服务的发现采用基于关键字, 以及简单的空间查询, 未考虑服务动态集成时可能存在的语义异质性问题。因此, 今后将着重考虑语义信息的利用, 深入研究服务的语义表达, 以及语义支持下的服务发现及聚合。

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标签:地球海洋GIS测绘地理
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